CN109067184A - 一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，包括三桥臂逆变器和磁耦合结构；三桥臂逆变器的包括3条桥臂，每条桥臂上均各设有2个开关管，三桥臂逆变器的输入端连接有直流电源；磁耦合结构包括与三桥臂逆变器的输出端连接的发射端、和与负载连接的接收端；其中发射端由两个线圈串联而成，两个线圈的两个端点和两个线圈之间的1个节点，分别连接其中1条桥臂2个开关管之间的节点；接收端为单个线圈；通过控制三桥臂逆变器不同桥臂的开关管的通断，实现恒流输出特性与恒压输出特性之间的切换。本发明通过采用三桥臂逆变器与磁耦合结构进行组合，利用切换工作桥臂的方式实现恒流到恒压的无缝切换，从而保证系统稳定性。

Description

一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，具体涉及一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统。
背景技术
感应电能传输(Inductive Power Transfer，简称IPT)系统是基于电磁感应原理来实现电能的无线传输。该项技术具有安全、可靠、不易受环境的影响等优点，可以有效解决有线充电导线磨损、线路老化、接触不良以及接触火花导致的安全隐患等问题。
在IPT系统中，由于磁耦合结构发射端和接收端间隙较大，使得两者之间漏感较大，导致耦合系数低，进而影响整个系统的传输效率。为了提高整个系统有功功率传输能力，以高效率传输能量，同时降低系统输入视在功率，通常系统磁耦合结构发射端和接收端分别增加谐振补偿网络。
储能电池的设计面临着一些问题，比如电池高密度性、充电循环性、安全性、可靠性等。目前，锂电池的设计被认为是最好的设计之一，并受到行业的认可。锂电池的充电过程，可简单的划分两个阶段：恒流充电和恒压充电。恒流充电阶段电流维持基本不变，电压逐渐增大。之后无缝切换到恒压充电阶段，电压上升到一定值维持基本不变，同时充电电流逐渐降低，直到电池充电结束。也就是说，整个锂电池充电的过程，电池内阻是持续增加的。此充电方式能最大程度发挥锂电池的性能，并延长它的使用寿命。因此，实现充电系统与负载无关的恒流或恒压输出特性，以及恒流阶段到恒压阶段的无缝切换都是IPT系统设计的关键技术。
实现IPT系统恒流或恒压输出特性，通常的方法是在接收端谐振补偿网络之后增加DC/DC变换器，但这增加了接收端的重量以及系统的损耗；或通过切换谐振补偿拓扑，但控制部分复杂，还增加了系统成本；或改变系统谐振频率，但是可能出现频率分叉现象，造成系统不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，实现恒流到恒压无缝切换，从而保证系统稳定性。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：它包括三桥臂逆变器和磁耦合结构；其中，
三桥臂逆变器的包括3条桥臂，每条桥臂上均各设有2个开关管，三桥臂逆变器的输入端连接有直流电源；
磁耦合结构包括与三桥臂逆变器的输出端连接的发射端、和与负载连接的接收端；其中发射端由两个线圈串联而成，两个线圈的两个端点和两个线圈之间的1个节点，分别连接其中1条桥臂2个开关管之间的节点；接收端为单个线圈；
通过控制三桥臂逆变器不同桥臂的开关管的通断，实现恒流输出特性与恒压输出特性之间的切换。
按上述方案，三桥臂逆变器和磁耦合结构的器件参数，通过基于磁耦合结构漏感等效模型分析系统的恒流或恒压输出特性的谐振条件而得到。
按上述方案，所述的发射端和接收端分别连有谐振补偿电路。
按上述方案，所述的谐振补偿电路为串联形式。
按上述方案，令3条桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；第一桥臂由第一开关管Q1和第二开关管Q2连接而成，第一开关管Q1和第二开关管Q2之间的节点设为A点；第二桥臂由第三开关管Q3和第四开关管Q4连接而成，第三开关管Q3和第四开关管Q4之间的节点设为B点；第三桥臂由第五开关管Q5和第六开关管Q6连接而成，第五开关管Q5和第六开关管Q6之间的节点设为C点；
发射端的两个线圈分别为第一发射线圈LP1和第二发射线圈LP2，第一发射线圈LP1的端点通过第一电容Cp1与A点连接，第二发射线圈LP2的端点通过第二电容Cp2与C点连接，第一发射线圈LP1和第二发射线圈LP2之间的节点与B点连接；
接收端的单个线圈称为接收线圈LS；
当关闭第五开关管Q5和第六开关管Q6，打开第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，且满足时，实现恒流输出特性；其中，ωcc表示恒流充电阶段谐振角频率，Lm1表示松耦合变压器(即LP1)的励磁电感，Ceq1表示Cp1和Lp1k的等效电容；
当关闭第一开关管Q1和第二开关管Q2，打开第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6，且满足时，实现恒压输出特性；其中，ωcv表示恒压充电阶段谐振角频率，Lm2表示松耦合变压器(即LP2)的励磁电感，Ceq2表示Cp2和Lkp2的等效值，Lkp2表示发射线圈Lp2的漏感，Ce'qs表示L′ks和C′s的等效值，L′ks表示接收线圈漏感折算到发射端的等效值，C′s表示接收端谐振补偿电容折算到发射端的等效值。
按上述方案，所述的ωcc与ωcv相等。
按上述方案，所述的开关管为5kW功率MOS管。
按上述方案，所述的接收端与负载之间连有整流电路。
本发明的有益效果为：本发明通过采用三桥臂逆变器与磁耦合结构进行组合，利用切换工作桥臂的方式实现恒流到恒压的无缝切换，解决了现有实现恒流或恒压输出特性的技术增加系统损耗，可能造成系统不稳定等问题。
附图说明
图1是本发明实施例的拓扑原理图。
图2是本发明实施例的恒流模式漏感等效模型示意图。
图3是本发明实施例的恒压模式漏感等效模型示意图。
图4是本发明实施例的恒流模式下，不同的负载频率与输出电流的关系示意图。
图5是本发明实施例的恒压模式下，不同的负载频率与输出电压的关系示意图。
图6是本发明实施例的IPT系统仿真输出电流、电压、功率曲线图。
图7是本发明实施例的IPT系统仿真切换过程局部曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，包括三桥臂逆变器和磁耦合结构；其中三桥臂逆变器的包括3条桥臂，每条桥臂上均各设有2个开关管，本实施例中开关管为大功率MOS管，例如5kM功率MOS管。三桥臂逆变器的输入端连接有直流电源；磁耦合结构包括与三桥臂逆变器的输出端连接的发射端、和与负载连接的接收端；其中发射端由两个线圈串联而成，两个线圈的两个端点和两个线圈之间的1个节点，分别连接其中1条桥臂2个开关管之间的节点；接收端为单个线圈；通过控制三桥臂逆变器不同桥臂的开关管的通断，实现恒流输出特性与恒压输出特性之间的切换。
三桥臂逆变器和磁耦合结构的器件参数，通过基于磁耦合结构漏感等效模型分析系统的恒流或恒压输出特性的谐振条件而得到。
所述的发射端和接收端分别连有谐振补偿电路。本实施例中，所述的谐振补偿电路为串联形式的电容。接收端与负载之间连有整流电路。
如图1所示，令3条桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；第一桥臂由第一开关管Q1和第二开关管Q2连接而成，第一开关管Q1和第二开关管Q2之间的节点设为A点；第二桥臂由第三开关管Q3和第四开关管Q4连接而成，第三开关管Q3和第四开关管Q4之间的节点设为B点；第三桥臂由第五开关管Q5和第六开关管Q6连接而成，第五开关管Q5和第六开关管Q6之间的节点设为C点；发射端的两个线圈分别为第一发射线圈LP1和第二发射线圈LP2，第一发射线圈LP1的端点通过第一电容Cp1与A点连接，第二发射线圈LP2的端点通过第二电容Cp2与C点连接，第一发射线圈LP1和第二发射线圈LP2之间的节点与B点连接；接收端的单个线圈称为接收线圈LS。
Lp1和Lp2是磁耦合结构发射线圈的自感，Ls是接收线圈的自感；Cp1和Cp2是发射端的谐振补偿电容，Cs是接收端的谐振补偿电容；Mp1p2、Mp1s、Mp2s分别是Lp1与Lp2之间的互感、Lp1与Ls之间的互感、Lp2与Ls之间的互感；D1-D4是接收端整流二极管；C0是滤波电容；RL是电池组的等效电阻。
其中，
式中，Req为副边谐振网络之后的等效阻值。
三桥臂逆变器拓扑包括两种工作模态：(1)模态一是Lp1与Ls之间耦合组成系统；(2)模态二是Lp2与Ls之间耦合组成系统；锂电池组充电过程中，先恒流充电，电压上升到一定数值时，切换都恒压充电，直到充电结束。这种充电方式能够发挥电池组的最大性能，也能延长电池组的使用寿命。通过配置参数的方法实现IPT系统恒流或恒压输出特性，改变逆变器的工作桥臂实现恒流到恒压的无缝切换。
选择模态一工作方式作为恒流充电阶段主电路。电路简化分析，如图2所示。基于磁耦合结构的漏感等效模型，并将接收端的元件等效折算到发射端(图中参数上标“′”表示相应的变量从接收端折算到发射端的等效值)。图中Lp1k表示发射线圈Lp1的漏感，Lm1表示松耦合变压器的励磁电感，L'sk表示接收线圈漏感折算到发射端的等效值，Ceq1表示Cp1和Lp1k的等效电容，Cs'表示接收端谐振补偿电容折算到发射端的等效值，Re'q表示电池组等效电阻折算到发射端的等效值，ZR表示Lm1之后的等效阻抗，Zm1表示Lm1和ZR的并联等效抗，Zincc表示Ceq1和Zm1串联等效阻抗。图2电路转换的表达式如下：
其中，ncc表示恒流阶段松耦合变压器发射端与接收端的匝比，kcc表示恒流阶段的耦合系数。
另外，根据等效电路，可得到以下式子
接收端谐振补偿网络输出电压Uab与发射端谐振补偿网路输入电压UAB的增益比值Gcc，可表示为
式中，n为匝数比。
输出直流电压UL与输入直流电压UDC增益比值Mcc，可表示为
模态一实现恒流输出的谐振条件，可表示为
式中ωcc表示恒流充电阶段谐振角频率。
综合式子(2)—(6)，可推导出直流电压增益的具体表达式
所以，当系统的参数不变的情况下，系统直流输出电流IL为
从式(8)可看出，系统恒流输出模式输出电流与电池组等效电阻是无关的，实现了IPT系统的恒流充电。
为简化电路分析，并且恒流充电阶段过渡到恒压充电阶段时间短暂，在本文中，将忽略这个过渡过程。模态二的工作方式作为系统恒压充电阶段的主电路，模态二简化电路图，如图3所示。
基于松耦合变压器漏感等效模型，同恒流充电阶段的分析一致，图3模态二电路等效表达式如下：
其中，Mp2s表示Lp2与Ls的互感值，ncv表示恒压阶段松耦合变压器发射端与接收端的匝比，kcv表示恒压阶段的耦合系数。
另外，根据等效电路，可得到以下计算公式
其中，Lkp2表示发射线圈Lp2的漏感，Lm2表示松耦合变压器的励磁电感，L′ks表示接收线圈漏感折算到发射端的等效值，Ceq2表示Cp2和Lkp2的等效电容，C′s表示接收端谐振补偿电容折算到发射端的等效值，R′eq表示电池组等效电阻折算到发射端的等效值，ZR表示Lm2之后的等效阻抗，Zm2表示Lm2和ZR的并联等效抗，Zincv表示Ceq2和Zm2串联等效阻抗，U′ab是R′eq的电压。
模态二实现系统恒压输出特性的谐振条件，可表示为
式中ωcv表示恒压充电阶段谐振角频率。
同理，综合式子(9)—(11)，可推导出直流电压增益Gcc的具体表达式
从式(12)可得到，系统恒压模式输出电压与电池组等效电阻是无关的，实现了IPT系统的恒压充电。
综上分析，设计输出功率为3.7kW的IPT系统，其他基本的参数如表1所示。
表1无线能量传输系统参数
根据公式(11)和(12)，Cp2和Cs可计算得到
Cp2＝35.138nF,Cs＝38.308nF (14)
基于以上的参数设计，系统谐振频率85kHz，利用MATLAB/Simulink仿真验证无线充电系统实现恒流恒压无缝切换。
运用上述设计的参数在MATLAB里进行仿真，恒流充电阶段系统不同的负载输出电流与谐振频率的关系曲线，如图4所示。
恒压充电阶段系统不同的负载输出电压与谐振频率的关系曲线，如图5所示。IPT系统仿真输出电流、电压和功率曲线，如图6所示。
图7是IPT系统切换过程的局部曲线，包括系统恒流模式下切载，恒流模式切换到恒压模式，恒压模式下切载三个切换过程。从图7中可看出，系统切换之后都存在一定的恢复时间。图7(a)恒流模式下负载阻值增加，电流的变化量为0.1A。即在负载阻值变化的情况下，系统的电流基本维持恒定。图7(b)为系统恒流模式到恒压模式的无缝切换过程。图7(c)恒压模式下负载阻值继续增加，电压的变化量为1.7V。即在负载阻值变化的情况下，系统的电压基本保持不变。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：它包括三桥臂逆变器和磁耦合结构；其中，
三桥臂逆变器的包括3条桥臂，每条桥臂上均各设有2个开关管，三桥臂逆变器的输入端连接有直流电源；
磁耦合结构包括与三桥臂逆变器的输出端连接的发射端、和与负载连接的接收端；其中发射端由两个线圈串联而成，两个线圈的两个端点和两个线圈之间的1个节点，分别连接其中1条桥臂2个开关管之间的节点；接收端为单个线圈；
通过控制三桥臂逆变器不同桥臂的开关管的通断，实现恒流输出特性与恒压输出特性之间的切换。
2.根据权利要求1所述的恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：三桥臂逆变器和磁耦合结构的器件参数，通过基于磁耦合结构漏感等效模型分析系统的恒流或恒压输出特性的谐振条件而得到。
3.根据权利要求2所述的恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：所述的发射端和接收端分别连有谐振补偿电路。
4.根据权利要求3所述的恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：所述的谐振补偿电路为串联形式。
5.根据权利要求4所述的恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：令3条桥臂分别为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；第一桥臂由第一开关管Q1和第二开关管Q2连接而成，第一开关管Q1和第二开关管Q2之间的节点设为A点；第二桥臂由第三开关管Q3和第四开关管Q4连接而成，第三开关管Q3和第四开关管Q4之间的节点设为B点；第三桥臂由第五开关管Q5和第六开关管Q6连接而成，第五开关管Q5和第六开关管Q6之间的节点设为C点；
发射端的两个线圈分别为第一发射线圈LP1和第二发射线圈LP2，第一发射线圈LP1的端点通过第一电容Cp1与A点连接，第二发射线圈LP2的端点通过第二电容Cp2与C点连接，第一发射线圈LP1和第二发射线圈LP2之间的节点与B点连接；
接收端的单个线圈称为接收线圈LS；
当关闭第五开关管Q5和第六开关管Q6，打开第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，且满足时，实现恒流输出特性；其中，ωcc表示恒流充电阶段谐振角频率，Lm1表示松耦合变压器的励磁电感，Ceq1表示Cp1和Lp1k的等效电容；
当关闭第一开关管Q1和第二开关管Q2，打开第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6，且满足时，实现恒压输出特性；其中，ωcv表示恒压充电阶段谐振角频率，Lm2表示LP2的励磁电感，Ceq2表示Cp2和Lkp2的等效值，Lkp2表示发射线圈Lp2的漏感，C′eqs表示L′ks和C′s的等效值，L′ks表示接收线圈漏感折算到发射端的等效值，C′s表示接收端谐振补偿电容折算到发射端的等效值。
6.根据权利要求5所述的恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：所述的ωcc与ωcv相等。
7.根据权利要求1所述的恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：所述的开关管为5kW功率MOS管。
8.根据权利要求1所述的恒流恒压无缝切换的感应电能传输系统，其特征在于：所述的接收端与负载之间连有整流电路。
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